MMT/硫粉復合改性瀝青混合料水穩定性能研究

王 蒙

(山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250000)

1 概述

瀝青是道路工程常用的工程材料之一。溫度變化和行車荷載等因素會增加維修成本，減少路面使用壽命[1,2]。在雨季或路面排水不良的地區，水通過路面的微裂縫滲透，導致瀝青與骨料之間的黏附性降低，最終表現為宏觀坑槽。盡管許多聚合物改性瀝青已被用于路面建設，但由于成本高以及較差的儲存穩定性等原因，出現了一些問題[3-5]。為克服這些缺點，將蒙脫土(MMT)和硫作為新型改性劑改善瀝青結合料和混合料的性能。

納米材料作為改性劑廣泛應用于瀝青結合料中，以改善瀝青結合料的物理性能和強度性能。許多研究人員進行的研究表明，蒙脫土可能是一種積極的解決方案，可以最大限度地減少車轍的影響。耿九光等[6]揭示了利用納米粘土提高聚合物改性瀝青抗拉強度比(TSR)等水敏性參數。雖然TSR試驗得到了廣泛的應用，但試驗結果與現場條件下路面性能相關性較差。聚合物納米復合材料是目前探索的最具創新性的材料之一，在納米分散水平下，用很少的納米粘土對粘結劑進行改性，可以顯著改善粘結劑的物理特性。由于硫在世界范圍內的量產，它已被廣泛地用作改性劑[7]。硫改性瀝青不僅提高了瀝青的物理性能，而且會顯著提高瀝青在路面建設中的用途。在瀝青粘結劑中加入硫可以代替瀝青，因為它是瀝青的增稠劑。含硫混合路面被認為在性質上幾乎不透水，適合于降雨強度高的地區，而且通過在瀝青混合料中加入硫，可以節約大約20%的瀝青用量。

從上述文獻綜述中可以看出，水分和溫度對蒙脫土納米粘土和硫改性瀝青混合料性能的影響還有待進一步研究。本研究將探討蒙脫土和硫對瀝青性能的影響。此外，本研究也探討了蒙脫土與硫對瀝青混合料的水穩定性能的影響。

2 原材料和試驗方法

2.1 材料

瀝青采用齊魯石化70號基質瀝青，技術性質見表1。蒙脫土和硫粉分別由山東某化工廠提供，改性劑技術性質見表2和表3。粗集料采用玄武巖，細集料采用機制砂，集料各項性能滿足相關規范要求。

表1 基質瀝青技術指標

表2 蒙脫土主要技術指標

表3 硫粉主要技術指標 %

2.2 改性瀝青的制備

本文選用2%，4%，6%和8%四種摻量的蒙脫土、硫和蒙脫土/硫改性劑對瀝青進行改性。其中復合改性劑中兩種改性劑比例為1∶1。將瀝青加熱至熔融狀態，并在瀝青中先后加入對應摻量的蒙脫土和硫粉，低速攪拌20 min。隨后使用由高速剪切機，在160 ℃下以4 000 r/min的速度攪拌30 min。將剪切結束的改性瀝青再次進行低速攪拌，以除去表面氣泡。

2.3 級配設計與最佳瀝青用量確定

該文中瀝青混合料采用AC-16型級配，級配組成如表4所示。采用標準馬歇爾試驗方法確定混合料的最佳瀝青用量為4.8%。

表4 瀝青混合料級配組成

3 結果與分析

3.1 瀝青物理性能評價

3.1.1針入度

蒙脫土和硫粉改性瀝青的針入度變化如圖1所示。當改性劑含量從2%變化到8%時，針入度在所有情況下都呈連續下降趨勢。處于30 dmm～50 dmm之間的瀝青結合料，在高溫氣候條件和重載交通荷載下均能很好地發揮作用。因此，硫的含量可以限制在2%，因為更大的摻量將使針入度低于30 dmm。同樣，蒙脫土/硫的摻量應限制在4%以內。這可能是由于添加蒙脫土和硫后的物理性能的改善，因為層狀納米材料的分散性更好，并在瀝青中與硫形成插層結構。

3.1.2軟化點

從圖2可以看出，隨著改性劑含量的增加，軟化點值也隨之增加，說明對溫度的敏感性降低。8%的硫添加量使瀝青軟化點從48 ℃達到93 ℃，2%的蒙脫土添加量達到54 ℃的最大值。獲得高軟化點表明材料的黏度有所改善，這能有效抵消車轍引起的永久變形。這些改性劑限制了瀝青的流動，增加了瀝青結合料的黏度。

3.1.3彈性恢復

改性劑含量對瀝青彈性恢復的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，基質瀝青的彈性恢復率都小于改性瀝青。與其他改性瀝青相比，添加蒙脫土后彈性恢復值的增加幅度較低。在基質瀝青中加入6%的硫，彈性恢復率最高可達46%。添加8%硫的彈性恢復率無法確定，因為改性瀝青不能拉伸至10 cm。由此可見硫的塑化作用是影響瀝青結合料彈性性能的主要因素。

3.1.4針入度指數

瀝青滲透指數的計算主要是為了評價溫度敏感性。當粘結劑的滲透指數在-2～+2的允許限度內時，可以觀察到溫度敏感性的改善。從圖4可以看出，隨著改性劑含量的增加，各情況下的指標值也都增加。基質瀝青針入度指數為-0.84，隨著改性劑含量的增加，滲透指數向正方向移動，說明溫度對滲透指數的影響不大。當硫含量至6%和8%時，針入度指數值超過了2，在蒙脫土/硫組含量為8%時也觀察到同樣的情況。說明過高的摻量也不利于瀝青的性能改善。

3.2 瀝青混合料水穩定性能評價

根據上一節中的試驗分析，選用2%蒙脫土改性瀝青、4%硫改性瀝青和4%蒙脫土/硫改性瀝青對瀝青的水穩定性進行試驗。其中根據JTG E20—2011,T0709規范進行浸水組與未浸水對照組設置，并進行浸水殘留穩定度比值的計算，其中浸水馬歇爾試驗組與對照組的測試結果與浸水殘留穩定度比值的計算結果如圖5所示。添加改性劑后穩定性的損失值減小。添加2%蒙脫土、4%硫和4%蒙脫土/硫后，瀝青的馬歇爾穩定度比值分別從80.38%提高到89.54%，84.37%和92.98%，提高了瀝青混合料的抗水損害性能。馬歇爾穩定度從12.34 kN上升到26.2 kN, 24.25 kN和34.5 kN。未浸水對照組的馬歇爾穩定度變化也存在相同的規律。原因可能是，蒙脫土的納米片層在瀝青中形成了插層或剝離結構，并且使硫也插入其中，阻礙了瀝青分子鏈的運動，這使得宏觀上瀝青結合料的粘附性增加，進而提高了瀝青結合料自身的粘聚能和瀝青—集料之間的粘附功，這就弱化了水對于瀝青混合料整體性能的影響，提高了混合料的抗剝落和抗散碎的能力，增加了整體的強度。

4 結語

1)蒙脫土/硫復合改性瀝青可以提高瀝青的軟化點、針入度指數和彈性恢復值，降低針入度。說明復合改性劑提高了瀝青的高溫穩定性，低溫抗裂性和降低了溫度敏感性。

2)浸水馬歇爾試驗結果得出蒙脫土/硫復合改性瀝青馬歇爾穩定度比值大于90%，說明復合改性瀝青可以有效提高瀝青混合料的水穩定性。

3)根據試驗數據綜合評價高低溫的指標，并且分析了改性瀝青的作用機理，得出其4%蒙脫土/硫復合改性瀝青可有效改善瀝青及混合料水穩定性。